细胞生物学杂志。2004年7月19日;166(2): 213–223.
第条
TSC1-2肿瘤抑制剂通过调节IRS蛋白控制胰岛素–PI3K信号
,1 ,1 ,2 ,1 ,1 ,三 ,2 ,2 ,4 ,4 ,三 ,2和1
劳拉·哈林顿
1英国癌症研究所细胞和分子生物学中心,英国伦敦SW3 6JB癌症研究所
格雷格·M·芬德利
1英国癌症研究所细胞和分子生物学中心,英国伦敦SW3 6JB癌症研究所
亚历克斯·格雷
2英国苏格兰邓迪DD1 4HN邓迪大学生命科学研究学院生物中心
塔蒂亚娜·托尔卡切娃
1英国癌症研究所细胞和分子生物学中心,英国伦敦SW3 6JB癌症研究所
西蒙·维格菲尔德
1英国癌症研究所细胞和分子生物学中心,英国伦敦SW3 6JB癌症研究所
海克·雷霍尔茨
三英国英国伦敦W1W 7BS皇家自由大学医学院路德维希癌症研究所
奇妙佳人
2英国苏格兰邓迪DD1 4HN邓迪大学生命科学研究生物中心学院
尼克·R·莱斯利
2英国苏格兰邓迪DD1 4HN邓迪大学生命科学研究学院生物中心
苏珊·程
4英国伦敦WC1E 6BT伦敦大学学院生物化学系
彼得·谢泼德
4英国伦敦大学学院生物化学系WC1E 6BT
伊凡·痛风
三英国英国伦敦W1W 7BS皇家自由大学医学院路德维希癌症研究所
C.彼得·唐斯
2英国苏格兰邓迪DD1 4HN邓迪大学生命科学研究生物中心学院
理查德·兰姆
1英国癌症研究所细胞和分子生物学中心,英国伦敦SW3 6JB癌症研究所
1英国癌症研究所细胞和分子生物学中心,英国伦敦SW3 6JB癌症研究所
2英国苏格兰邓迪DD1 4HN邓迪大学生命科学研究学院生物中心
三英国英国伦敦W1W 7BS皇家自由大学医学院路德维希癌症研究所
4英国伦敦WC1E 6BT伦敦大学学院生物化学系
地址:Richard F.Lamb,英国癌症研究所细胞和分子生物学英国癌症研究中心,237 Fulham Rd.,London SW3 6JB,England,UK。电话:(44)207-970-6096。传真:(44)207-352-5630。电子邮件:ku.ca.rci@bmaL.drahciR
收到日期:2004年3月10日;2004年5月20日接受。
摘要
胰岛素样生长因子通过激活磷脂酰肌醇3-OH激酶(PI3K)引起许多反应。结节性硬化综合征(TSC1-2型)通过负调节蛋白激酶p70S6K(S6K1)抑制细胞生长,该蛋白激酶的激活通常需要PI3K信号。在这里,我们展示了这一点TSC1-2型PI3K的胰岛素信号需要。TSC1-2型通过抑制S6K的活性,通过抑制IRS-1基因表达和IRS-1的直接磷酸化,维持胰岛素向PI3K的信号传导,S6K激活后会使胰岛素受体底物(IRS)功能失活。我们的研究结果表明TSC1-2型TSC突变细胞未能激活PI3K及其下游效应器可能解释了功能异常。
关键词:TSC1-2;PI3K;IRS蛋白;S6K系列;胰岛素
结果
TSC1-2特异性调节PI3K的胰岛素信号
PI3K-调节的丝氨酸-苏氨酸激酶PKB(也称为AKT)的胰岛素刺激激活在缺乏TSC2系统(Jaeschke等人,2002年)或TSC1类(Kwiatkowski等人,2002年). 为了确定胰岛素样生长因子信号是否存在特异性损伤,我们检测了用胰岛素、IGF-1或EGF刺激细胞后PKB活性。处于控制中TSC2系统
+/+小鼠胚胎成纤维细胞(MEFs)或TSC2系统
−/−野生型MEFsTSC2系统已重新引入(Jaeschke等人,2002年)PKB被胰岛素、IGF-1和EGF激活(A) ●●●●。相反,在TSC2系统
−/−MEF或TSC2系统
−/−致病性MEFTSC2系统突变体被重新引入,PKB仅被EGF强烈激活。类似地,PKB的下游效应器GSK3α/β在控制MEF中受到所有三种生长因子的刺激后被强烈磷酸化,但仅在MEF中被EGF强烈磷酸化TSC2系统
−/−MEF公司(B) ●●●●。
胰岛素样生长因子激活PI3K依赖于功能
TSC2系统
.(A) 表达或缺乏功能的细胞中PKB的激活TSC2系统.PKB在等基因中的激活TSC2系统
+/+,TSC2系统
−/−MEF,以及TSC2系统
−/−野生型(−/−(+WT))或致病性突变的MEF系TSC2系统(−/−(+N1643K))被重新引入,饥饿并用指定的生长因子刺激10分钟。胰岛素、IGF-1和EGF激活PKB的能力通过Ser-473(S473-P)的磷酸化来证明。(B) 胰岛素、IGF-1或EGF刺激后,GSK3αSer-21(顶部)和GSK3βSer-9(中部)处GSK3 al/β的磷酸化。底部:总GSK3α/β。(C) PI3K活性TSC2系统
+/+或TSC2系统
−/−MEF,或TSC2系统
−/−用野生型重组的MEFTSC2系统(+WT)或致病突变TSC2系统(+N1643K)。结果表示为相对于非模拟控件的值。(D) PIP3水平TSC2系统
+/+或TSC2系统
−/−MEF,或TSC2系统
−/−用野生型重组的MEFTSC2系统(+WT)或致病突变TSC2系统(+N1643K)。结果(三次测定的平均值和SD)表示为相对于对照未刺激细胞。
因为PKB的激活通常需要PI3K的激活和在膜上生成磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸(PIP3)(坎特利,2002年),我们检测了PI3K活性,并测量了IGF-1或EGF刺激后PIP3的水平。TSC2系统
−/−MEF既不激活PI3K(C) 也不会因IGF-1刺激而升高PIP3水平(D) 而EGF刺激后产生的PIP3与对照组相似TSC2系统-表达MEF(D) ●●●●。因此,在用胰岛素或IGF-1刺激后TSC2系统-细胞缺陷是由于缺乏激活PI3K并生成其脂质产物PIP3的能力。
TSC1-2型调节IRS-1型通过S6K的mRNA
缺乏胰岛素的细胞中胰岛素信号缺陷的基础TSC2系统可能处于胰岛素/IGF-1受体或IRS蛋白的表达水平,也可能处于其激活水平。因此,我们进行了基因表达差异的微阵列分析TSC2系统
+/+和TSC2系统
−/−MEF,这表明IRS-1型mRNA在TSC2系统
−/−MEF公司(A) ●●●●。为了证实这一结果,我们分析了IRS-1型mRNA。IRS-1型mRNA丰度在TSC2系统
−/−MEF公司(B) ●●●●。重要的是,野生型逆转录病毒的稳定引入完全扭转了这种减少TSC2系统(B) ●●●●。有趣的是IRS-2号机组mRNA不受功能缺失的影响TSC2系统通过蛋白质印迹比较这些细胞中IRS-1蛋白的水平获得了类似的结果,而IRS-2蛋白或胰岛素或IGF受体的水平不受TSC2系统表达式(C) ●●●●。因此,IRS-1型表达是通过功能的存在来维持的TSC2系统.
IRS-1 mRNA和蛋白的表达依赖于TSC2。(A) 微阵列分析TSC2系统
+/+和TSC2系统
−/−MEF公司。IRS-1型mRNA在TSC2系统
+/+MEF(绿色)与TSC2系统
−/−MEF(红色)。(B) Northern印迹IRS-1型(顶部)或IRS-2号机组等基因中的(中间)mRNATSC2系统
+/+,TSC2系统
−/−MEF和TSC2系统
−/−重新引入野生型TSC2的MEF系(−/−+WT)。将这些样品的等分样品置于单独的凝胶上,并探测β-肌动蛋白,作为RNA含量的对照(底部)。白线表示中间车道已被移除。(C) IRS-1(第一组)、IRS-2(第二组)、InR(第三组)和IGF1-R(第四组)蛋白质水平TSC2系统
+/+,TSC2系统
−/−、和TSC2系统
−/−野生型MEF线TSC2系统已重新引入(−/−+WT)。重新对ERK1/2进行印迹,作为蛋白质负荷的对照(底部面板)。
IRS-1蛋白水平先前被证明对雷帕霉素敏感(Haruta等人,2000年). 因为mTOR/S6K信号在TSC2系统-缺陷细胞(Jaeschke等人,2002年),我们试图检测雷帕霉素对IRS-1型mRNA丰度。雷帕霉素治疗TSC2系统
−/−MEF减轻了对IRS-1型治疗~24小时后的mRNA丰度(A) ●●●●。此次恢复IRS-1型放线菌素D逆转雷帕霉素持续治疗的mRNA丰度()表明mTOR/S6K1信号可能减少IRS-1型mRNA丰度主要在基因转录水平。
抑制S6K可恢复IRS-1 mRNA。(A)IRS-1型血清饥饿时的mRNA水平(top)TSC2系统
+/+或TSC2系统
−/−未经处理的细胞或在不同时间添加20 nM雷帕霉素后的MEF。重复印迹β-肌动蛋白,作为mRNA负载的对照(底部)。白线表示中间车道已被移除。(B) IRS-1 mRNA水平(顶部)TSC2系统
−/−单用20 nM雷帕霉素或在10μg/ml放线菌素D存在下处理MEF,持续24小时的最后10小时。重复印迹β-肌动蛋白,作为mRNA负载的对照(底部)。(C) 未经治疗、雷帕霉素治疗和雷帕霉素加放线菌素D治疗的定量RT-PCR分析TSC2系统
−/−MEF公司。左,β-actin;右侧,IRS-1。图中显示了三次测定的单一图表,显示了相同的结果。(D) RNAi介导的S6K1和S6K2抑制。提取物的蛋白质印迹TSC2系统
+/+或TSC2系统
−/−转染有加扰siRNA(C)或S6K1、S6K2或S6K1+S6K2 siRNA组合的MEF。顶部,S6K1;中间,S6K2;底部,抗pS6(Ser240/244)。如有指示,用胰岛素刺激细胞10分钟或用20 nM雷帕霉素处理细胞1小时(E)IRS-1型mRNA水平TSC2系统
+/+MEF或TSC2系统
−/−用S6K1和S6K2加扰siRNA(C)、S6K1或S6K2 siRNA的组合转染MEF,或用20 nM雷帕霉素处理24小时。顶部,IRS-1型mRNA;此外,还对β-肌动蛋白的印迹进行了重复,作为mRNA载量的对照(底部)。(F) 未经处理的定量RT-PCR分析TSC2系统
+/+,TSC2系统
−/−,或TSC2系统
−/−用20 nM雷帕霉素或RNAi处理S6K1或S6K2。左,β-actin;右侧,IRS-1。图中显示了三次测定的单一图表,显示了相同的结果。
接下来,我们问IRS-1型mRNA由S6K1或S6K2介导,这两种激酶都是雷帕霉素敏感的激酶,使用小干扰RNA(siRNA)方法。观察到S6K1几乎完全击倒,S6K2击倒70-80%(D) ●●●●。抑制S6K1或S6K2模拟雷帕霉素治疗和恢复的效果IRS-1型mRNA水平接近TSC2系统
+/+MEF公司(). 我们的结论是IRS-1型我们在中观察到的mRNATSC2系统-缺陷细胞由两种形式的S6K-S6K1和S6K2介导。
TSC1-2型通过抑制S6K对IRS-1的作用促进胰岛素信号传导
IRS-1和IRS-2蛋白质提取自TSC2系统
−/−MEF在SDS-PAGE凝胶上的迁移减少(C) ●●●●。用λ-磷酸酶处理IRS-1免疫沉淀物表明IRS-1的迁移减少TSC2系统
−/−MEF是由于磷酸化的差异造成的,与IRS-1相比,该蛋白在迁移率方面表现出更大的变化TSC2系统
+/+磷酸酶处理后的MEF(A) ●●●●。为了确定IRS-1磷酸化的这种变化是否由mTOR/S6K信号引起,我们对TSC2系统
+/+或TSC公司
−/−用雷帕霉素进行不同时间的MEF,并检测IRS-1和IRS-2蛋白水平。IRS-1和IRS-2都是迁移速度较慢的物种TSC2系统-缺乏细胞。添加雷帕霉素后TSC2系统
−/−MEF持续1小时后,IRS-1和IRS-2都是迁移速度更快的物种,蛋白质水平没有增加。然而,用雷帕霉素处理24小时后,IRS-1蛋白的迁移和水平TSC2系统
−/−MEF与未处理的相似TSC2系统
+/+MEF公司(B) ●●●●。相反,在两种情况下,IRS-2水平在很大程度上不受雷帕霉素治疗的影响TSC2系统
+/+或TSC2系统
−/−MEF公司。PKB激活TSC2系统
−/−雷帕霉素治疗1小时后MEF部分恢复,治疗24小时后完全恢复(C) ●●●●。与PKB激活的挽救一致,IGF-1刺激后PIP3升高TSC2系统
−/−雷帕霉素预处理24小时的MEFs与刺激条件下产生的MEFs相似TSC2系统
+/+MEF公司(D) ●●●●。
抑制S6K可恢复胰岛素信号。(A) 用λ-磷酸酶处理IRS-1免疫沉淀物表明IRS-1的迁移减少TSC2系统
−/−MEF是由于磷酸化增加所致。(B) 缺乏血清的治疗TSC2系统
+/+或TSC2系统
−/−使用雷帕霉素进行不同时间的MEF,然后对IRS-1(顶部)或IRS-2(底部)进行免疫印迹。存在于TSC2系统
−/−MEF用箭头表示;中存在迁移速度更快的IRS-1或IRS-2TSC2系统
+/+细胞或雷帕霉素治疗后用箭头表示。(C) 胰岛素或IGF-1治疗后PKB活化TSC2系统
+/+或TSC2系统
−/−使用雷帕霉素进行指定时间的MEF。顶部,Ser473磷酸化PKB;底部,总PKB的水平。(D) PIP3水平TSC2系统
+/+(灰色条)或TSC2系统
−/−(白色条)未经处理的细胞或用20 nM雷帕霉素预处理24小时的细胞经IGF-1刺激后的MEF。三次测定的结果(平均值和标准偏差)被归一化,以控制未模拟样品,并代表三次独立实验。(E) RNAi介导抑制IRS-1、IRS-2、IRS-1加IRS-2或干扰IRS-1和IRS-2 siRNA(干扰)组合后PKB激活TSC2系统
−/−用20 nM雷帕霉素治疗1小时后,胰岛素刺激MEF 10分钟。第一组,IRS-1;第二个面板,IRS-2;第三组,Ser473-磷酸化PKB;底部面板,总PKB。(F) PKB激活救援TSC2系统
−/−IRS-1或IRS-2过度表达后的MEF。模拟转染的提取物TSC2系统
−/−转染表达myc-IRS-1或IRS-2的表达构建物的MEF(C)或MEF在转染后饥饿24小时,用20 nM雷帕霉素处理1小时,然后用胰岛素刺激10分钟。如有指示,模拟转染细胞在刺激前也用20 nM雷帕霉素治疗24小时。第一组,用9E10单克隆检测myc-IRS-1;第二个面板,IRS-2;第三组,Ser473-磷酸化PKB;底部面板,总PKB。(G) PKB激活TSC2系统
−/−胰岛素刺激10分钟后,通过RNAi介导抑制S6K1、S6K2、S6K1加S6K2或S6K1和S6K2的混合物扰乱siRNAs(扰乱)后的MEF。扰乱siRNA-转染细胞也在胰岛素刺激前用20 nM雷帕霉素处理24小时。
为了研究雷帕霉素对胰岛素信号转导的拯救作用是否是通过对IRS-1或IRS-2的影响介导的,我们再次使用siRNAs。通过抑制IRS-1或在较小程度上抑制IRS-2,我们观察到雷帕霉素治疗1小时后PKB活化的部分挽救作用减弱,当这两种蛋白都被抑制时,效果更显著(E) 。为了确定IRS功能的扰动是否是导致胰岛素信号减弱的关键病变TSC2系统
−/−MEF,然后我们询问胰岛素信号是否可以在TSC2系统
−/−IRS-1或IRS-2过度表达后的MEF。我们发现IRS-1或IRS-2的过度表达导致PKB激活增加,当结合使用雷帕霉素对mTOR/S6K信号的短期抑制时,会导致雷帕霉素持续(24小时)治疗效果的现象学表现(F) ●●●●。
然后,我们询问雷帕霉素对信号传导的增强作用是否是由于使用siRNAs抑制S6K所致。结果表明,抑制S6K1或S6K2TSC2系统
−/−MEF导致PKB激活增加,而S6K1的抑制导致PKB活化增加更大(G) ●●●●。抑制任一激酶都会导致IRS-1蛋白水平的同等增加,而对IRS-2没有影响。总之,这些结果表明,我们在TSC2系统
−/−MEF是由对IRS-1和IRS-2的影响引起的。就IRS-1而言,这种影响似乎部分由S6K介导,S6K1和S6K2都有助于降低胰岛素信号。
IRS-1是S6K的新型基板
我们推断IRS-1也可能是S6激酶的新底物,并与S6相比,测试了GST标记的IRS-1片段覆盖整个蛋白质的能力,以在体外被S6K磷酸化。包含108–516残基的片段(IRS-1108–516)在体外被S6K有效磷酸化(B) ●●●●。S6与IRS-1中S6K磷酸化位点的比较108–516揭示了三个潜在的磷酸化位点,其中RxRxxS之后是S6中发生的远端丝氨酸(A) ●●●●。我们对近端(RxRxxS公司)以及每个潜在位点的远端丝氨酸,并询问这些突变体是否可以在体外磷酸化。结果表明,只有在IRS-1中108–516其中丝氨酸302、307和310发生突变(A、 位点2)是体外未被S6K1磷酸化的IRS-1(C、 左侧面板)。丝氨酸307和310的个体突变对IRS-1几乎没有影响108–516磷酸化,表明该位点不像S6那样在多个丝氨酸中被磷酸化,而丝氨酸302突变为丙氨酸会破坏磷酸化(C、 右侧面板)。这一结果通过使用磷酸化-Ser302抗体的Western印迹得到证实,该抗体在S6K体外磷酸化后仅识别野生型IRS-1(D) ●●●●。为了证实体外检测到的这种磷酸化对TSC2系统在体内,我们用这种抗体探测提取物。虽然IRS-1的水平在TSC2系统-与相比,MEF不足TSC2系统-表达MEF(C和E) ,Ser302-磷酸化IRS-1的水平大大提高(E) 和雷帕霉素敏感(F) ●●●●。我们再次使用S6K siRNAs来确定IRS-1 Ser302磷酸化是否通过体内S6K进行。结果表明,在siRNA介导的S6K1抑制后,IRS-1 Ser302磷酸化降低,但不受S6K2抑制的影响(G) ●●●●。因此,在TSC2系统
−/−MEF细胞,IRS-1 Ser302磷酸化主要由S6K1调节,而不是S6K2,尽管S6K2表达的敲除效果较差,这也为该激酶的某些贡献提供了形式上的可能性。
IRS-1是一种新型S6K基板。(A) IRS-1的结构域表明GST融合区域(基于小鼠IRS-1进行aa编号),用于体外激酶分析,并将S6磷酸化位点与IRS-1中存在的候选S6样磷酸化位点进行比较108–516保存的精氨酸以粗体显示,S6中S6K磷酸化的丝氨酸,IRS-1中可能磷酸化108–516以红色显示,并且在位点1-3的突变体中突变为丙氨酸的丝氨酸被下划线。还显示了小鼠IRS-2中与位点2的同源位点。(B) 用纯化的S6K2对GST-IRS-1片段进行体外激酶分析。这些制剂中含有全长GST融合蛋白(1–4,如A所示)和40S核糖体蛋白的S6(40S)在考马斯蓝染色凝胶(右)中用星号表示32激酶分析和放射自显影后的P标记蛋白如左图所示。IRS-1激酶分析中发现两条磷酸化带108–516其中较低的一个代表蛋白质裂解形式的一个低分辨率双链。箭头表示3240S核糖体制剂中存在P标记的S6。(C) 利用S6K1对IRS-1定点突变体进行体外激酶分析。顶板、放射自显影;底部面板,考马斯蓝染色凝胶;左面板,IRS-1磷酸化108–516(WT)和1–3位点复合突变体,如A;右面板,IRS-1磷酸化108–516以及位点2内丝氨酸残基的单个丝氨酸-丙氨酸突变体。(D) IRS-1的Ser302磷酸化108–516野生型(WT)或IRS-1108–516其中Ser302突变为丙氨酸(S302A),在体外S6K1磷酸化后用IRS-1 Ser302的磷酸特异性抗体检测。(E) IRS-1 Ser302磷酸化在体内升高。Top,Ser302磷酸化IRS-1,由缺乏血清的同基因提取物中的磷酸特异性Ser302抗体检测TSC2系统
+/+和TSC2系统
−/−MEF,以及TSC2系统
−/−野生型(−/−(+WT))或致病性突变的MEF系TSC2系统重新引入(−/−(+N1643K));顶部,Ser302-磷酸化IRS-1;底部,总IRS-1。(F) 在缺乏血清的情况下,IRS-1 Ser302磷酸化被雷帕霉素mTOR/S6K抑制所抑制TSC2系统
−/−MEF公司。顶部,Ser302磷酸化的IRS-1;底部,总IRS-1。如有指示,MEF也被胰岛素刺激10分钟。(G)IRS-1 Ser302磷酸化在TSC2系统
−/−siRNA介导的S6K1抑制后的MEF。顶部,Ser302-磷酸化IRS-1;底部,总IRS-1。如有指示,还用胰岛素刺激MEFs 10分钟。
S6K磷酸化抑制IRS-1功能
接下来,我们询问IRS-1是否可以被酪氨酸磷酸化并与PI3K结合TSC2系统
−/−胰岛素刺激后的MEF。结果表明,在TSC2系统
−/−MEFs,IRS-1酪氨酸磷酸化程度低,在用胰岛素刺激细胞后与PI3K相关。雷帕霉素治疗1h后,IRS-1酪氨酸磷酸化和PI3K p85亚基的结合部分恢复TSC2系统
−/−MEF公司(). 重要的是,这种短期治疗不会显著改变IRS-1蛋白水平()该研究认为,信号传递能力的降低可归因于功能受损以及可用IRS-1库的减少。雷帕霉素持续抑制S6K信号转导TSC2系统
−/−MEF将酪氨酸磷酸化和PI3K结合恢复到接近TSC2系统
+/+单元格(A) ●●●●。然后,我们问IRS-1的磷酸化是否108–516通过S6K直接抑制其与激活的胰岛素受体的关联。我们在体外将含有IRS-1磷酸化酪氨酸结合域(PTB)的GST融合蛋白与S6K磷酸化,并在下拉分析中测定与未磷酸化或磷酸化IRS-1相关的活化胰岛素受体的数量。结果表明,S6K对IRS-1 PTB结构域的磷酸化显著降低了其与胰岛素受体的关联()而Ser302-谷氨酸突变体可能模拟该位点的磷酸化作用,表现出与胰岛素受体的结合受损(). 因此,S6激酶直接磷酸化Ser302处的IRS-1,因此与胰岛素受体结合的减少可能在IRS-1无法向PI3K发出信号方面起主要作用。
S6K磷酸化阻断IRS-1功能。(A) IRS-1酪氨酸磷酸化和与PI3K的关联在TSC2系统
−/−MEF和通过抑制S6K获救。未刺激或胰岛素刺激的IRS-1免疫沉淀物TSC2系统
+/+或TSC2系统
−/−雷帕霉素治疗指定时间后的MEF、磷酸酪氨酸免疫印迹(第1组)或PI3K p85亚单位的联合免疫沉淀(第2组)。细胞裂解物中IRS-1和p85的总水平分别显示在面板3和面板4中。(B) 未治疗患者胰岛素刺激的IRS-1酪氨酸磷酸化的定量TSC2系统
−/−雷帕霉素处理指定时间后的MEF或相同细胞。获得了一个任意值,表示扫描放射自显影检测到的IRS-1免疫沉淀中未刺激和相应胰岛素刺激的磷酸酪氨酸水平之间的差异。将三个独立实验的值平均并绘制在条形图上,误差条显示SEM。(C)固定化GST-IRS-1的磷酸化108–516S6K2的PTB结构域抑制胰岛素受体(InR)相互作用。通过添加含有指示量的S6K2磷酸化或未磷酸化GST-IRS-1的谷胱甘肽珠,在体外测定与酪氨酸磷酸化InR(顶部)的相互作用108–516或GST到由胰岛素刺激的CHO-IR细胞制备的裂解物。GST-IRS-1融合蛋白或GST水平的免疫印迹显示在底部。DP表示GST-IRS-1蛋白的降解产物。(D) InR与GST-IRS-1结合的定量108–516(WT)或突变型GST-IRS-1108–516其中丝氨酸302经S6K2体外磷酸化后突变为丙氨酸(S302A)。误差条显示了三个实验的SEM。(E) 野生型GST-IRS-1的InR结合108–516或下拉分析中的S302A和S302E突变体。顶部,InR;底部,抗GST。(F) InR与GST-IRS-1结合的定量108–516(WT)或S302A和S302E突变体。为野生型GST-IRS-1的绑定指定了任意值100108–516突变IRS-1蛋白的结合表达与该值相关。误差条显示了三个实验的SEM。
受损的PI3K信号消除了IGF-1介导的趋化性和存活率
胰岛素或IGF-1激活PI3K是迁移/趋化和生存所必需的。已知生存涉及PKB的激活(劳勒和阿莱西,2001年),而趋化性需要PI3K活性(Puglianiello等人,2000年). 因此,我们测试了TSC2系统
+/+或TSC2系统
−/−趋化性和存活试验中的MEF至IGF-1。我们观察到两者的基础迁移率和EGF刺激迁移率相似TSC2系统基因型,但IGF-1刺激的细胞趋化性明显受损TSC2系统
−/−MEF公司。雷帕霉素预处理24h对细胞迁移影响不大TSC2系统
+/+MEF,但恢复IGF刺激的迁移TSC2系统
−/−MEF公司().
IGF-1介导的迁移和存活在
TSC2系统
-MEF不足。(A) 趋化性分析表明TSC2系统
+/+或TSC2系统
−/−在Transwell分析中,在不存在或存在50 ng/ml IGF-1或20 ng/ml EGF作为趋化因子的情况下的MEF。这些图片显示了经过荧光惰性滤光片的荧光标记细胞,因此只有穿过滤光片后的细胞才会被拍照。未处理细胞(顶部六个面板)或用20 nM雷帕霉素预处理24小时的细胞(底部四个面板)显示了在两个室中均存在0.5%FCS和IGF-1刺激迁移(中间面板)或EGF刺激迁移(最右侧两个面板)的情况下的基底迁移(左侧面板)。(B) 胰岛素样生长因子-1或表皮生长因子介导的趋化性测定TSC2系统
+/+(灰色条)或TSC2系统
−/−(白色条)MEF。结果表示为IGF-1刺激的趋化性的百分比TSC2系统
+/+未使用雷帕霉素(100%)处理的MEF来自两个重复孔的四个随机10×场。误差条显示SEM值。(C) 无血清细胞存活试验。TUNEL阳性核百分比的定量分析如下所示TSC2系统
+/+(灰色条)和TSC2系统
−/−(白色条)在无血清培养基中单独培养8小时后,或在未经处理的MEF或用20 nM雷帕霉素预处理36小时的MEF中补充200 ng/ml IGF-1(+)。结果来自四个随机的10×场,是两次执行的典型实验。(D) 相对细胞存活率TSC2系统
+/+(灰色条)或TSC2系统
−/−(白色条)MEF。结果是将不含IGF-1的TUNEL阳性细胞核百分比的平均值除以含有IGF-1细胞核的平均值。
接下来,我们测试了IGF-1作为生存因子的能力TSC2系统
+/+或TSC2系统
−/−细胞。我们评估了血清清除后的生存率,这是一种已知IGF-1作为生存因子的分析(Tamm和Kikuchi,1990年). IGF-1显著保护TSC2系统
+/+MEF来自细胞凋亡,但对TSC2系统
−/−单元格().TSC2系统
−/−在没有血清的情况下,MEF表现出较高的基本存活率,增加了这些细胞中可能激活其他促生存途径的可能性。因为雷帕霉素已被证明会导致TSC2系统-体内肿瘤细胞缺陷(Kenerson等人,2002年)S6K1磷酸化与促凋亡因子Bad的失活有关(Harada等人,2001年),我们评估了雷帕霉素处理细胞后的基础存活率和IGF-1介导的存活率。结果表明,雷帕霉素治疗对小鼠的存活率影响不大TSC2系统
+/+MEF公司。然而,雷帕霉素对TSC2系统
−/−MEF存活率,在缺乏IGF-1的情况下降低基础存活率,而在存在IGF-1时增加存活率(). 我们的结论是,在停血清条件下,IGF-1不会激活促生存信号TSC2系统-而mTOR/S6K信号则提供较弱的促生存信号。
讨论
胰岛素-PI3K途径控制细胞数量(通过PKB/AKT促进细胞周期进展和存活;劳勒和阿莱西,2001年)和细胞生长(通过激活S6K;杜夫纳和托马斯,1999年). 那么,细胞和组织如何协调这些活动,因为通常需要不同相对数量的细胞和生长来获得给定的器官大小,或者在发育过程中或在成人中调节这个大小?协调调节器可以从失去这种协调的人类病理性过度生长条件中推断出来,或者在模型生物体中,例如果蝇属可以分析功能丧失突变对器官生长的影响。两者都有PTEN公司(Nelen等人,1997年)和TSC1类-2(TSC突变;1993年欧洲16号染色体结节性硬化联盟;van Slegtenhorst等人,1997年)可能在器官大小控制中发挥协调作用(Goberdhan等人,1999年;Tapon等人,2001年). 然而,PTEN公司(但目前还没有TSC1-2型)突变可促进肿瘤发生,在晚期肿瘤中该基因经常发生突变或丢失(Li等人,1997年). 之间的连接PTEN公司和TSC1-2型也通过以下方式提出PTEN公司功能丧失导致磷酸化块茎蛋白的蛋白激酶PKB/AKT过度激活(Inoki等人,2002年;Manning等人,2002年). Tuberin磷酸化被认为对TSC1-2型蛋白质复合物,可激活S6K和细胞生长(波特等人,2002年).
在本文中,我们探讨了胰岛素未能激活PKBTSC2系统
−/−单元格(Jaeschke等人,2002年). 然而,缺乏TSC1-2型复杂的功能不会导致PKB激活的特定失败,而是导致胰岛素激活PI3K的能力的普遍失败。由于TSC1-2型由于S6K使衔接蛋白IRS-1和IRS-2失活,功能丧失,胰岛素样生长因子不能激活PI3K。S6K激活似乎通过抑制衔接蛋白IRS-1来减弱PI3K信号传导,无论是在基因转录水平还是在将激活受体偶联到PI3K的功能水平。前者的机制出乎意料,由S6K1和S6K2介导,表明这些蛋白激酶在调节IRS-1转录中具有直接作用。转录因子CREM已经被证明是S6K1的底物(de Groot等人,1994年).
尽管mTOR/S6K通路激活的全部后果尚待确定,但似乎对生长因子的反应性降低可能并不局限于胰岛素信号(H.Zhang等人,2003年). 未来的实验将有助于阐明mTOR/S6K异常激活对细胞信号的“间接”抑制作用是否在TSC错构瘤发生的独特病理学中发挥作用。
S6K灭活IRS-1的第二个主要机制是磷酸化。我们已经确定了一个靠近IRS-1 PTB结构域的位点(Ser302),我们显示该位点在体外被S6K磷酸化,这表明TSC2系统-细胞缺陷,对mTOR/S6K信号的抑制敏感。我们的数据表明,至少在TSC2系统
−/−MEFs是负责磷酸化IRS-1 Ser302的主要激酶,它是S6K1,该位点的磷酸化可能会破坏PTB结构域与激活的胰岛素受体相互作用的能力。通过雷帕霉素短期治疗逆转这种磷酸化,或通过RNAi抑制S6K1,部分挽救了PKB的激活,认为S6K的磷酸化可能是使IRS-1功能失活的主要机制。然而,我们在提取自TSC2系统-缺陷细胞可能表明体内S6K(或其他mTOR调节激酶)磷酸化了不止一个位点;我们的数据支持PTB结构域位点的直接磷酸化可以解释这些细胞IRS-1功能的深度抑制。Giraud等人(2004年)也有报道称IRS-1在Ser302被一种未知的营养素和雷帕霉素敏感激酶磷酸化。然而,使用32D细胞中的Ser302-丙氨酸突变体,这些工作人员报告说,Ser302磷酸化可能是与PI3K p85相关以及限制性胰岛素-PI3K调节反应(包括激活S6K和DNA合成)的必要条件。令人惊讶的是,他们的工作表明,PKB的激活在很大程度上不受阻止该位点磷酸化的影响,这表明PIP3的生成不受阻止Ser302磷酸化的作用的影响。然而,他们没有研究Ser302磷酸化模拟物对胰岛素信号的影响(这可能反映了此处报道的mTOR/S6K信号激活时发生的情况),因此很难确定该位点磷酸化增加的后果。然而,我们的发现是S6K通过长期(转录)和急性(磷酸化)机制调节IRS,并且这两种机制以相同的方式(即抑制)作用于胰岛素–PI3K激活,这与我们在TSC2系统
−/−S6K过度激活而PI3K激活缺陷的细胞。我们建议TSC1-2型、S6K和S6K调节的IRS蛋白失活是一种负反馈传感器,其可被设计为将营养/S6K依赖性生长的量与胰岛素对PI3K的激活程度相关联。
未调节的S6K活性对肿瘤发生的作用目前尚不清楚。一些TSC1-2型–缺陷病变使磷酸化S6水平增加,表明S6K活性升高(Kwiatkowski等人,2002年;Karbowniczek等人,2003年). 治疗Eker大鼠肿瘤,其中TSC2系统mTOR抑制剂雷帕霉素使这些细胞的凋亡增加,表明mTOR/S6K信号可能在这里很重要(Kenerson等人,2002年). 然而,同样清楚的是TSC公司-通过基因手段无效不会在中期妊娠后发育(Kwiatkowski等人,2002年)而在TSC中,错构瘤样生长通常缓慢或正常生长,恶性潜能较低。这与PTEN公司Cowden病的失活,其中恶性肿瘤的易感性是明显的(Starink等人,1986年). 我们的模型()这表明了对发现的低恶性程度的解释TSC1-2型–肿瘤缺陷可能是由于在体内产生的原癌性PIP3依赖信号(如PKB激活)不足TSC1-2型–肿瘤细胞缺乏,并且这种信号可能是恶性转化所必需的。我们的数据还表明了如何实现适当的器官大小控制的范例:通过S6激酶的细胞生长可能与PI3K调节的细胞数量控制相协调,也可能与之解耦联,这取决于是否存在功能性TSC1-2型复杂。
TSC1-2调节PI3K胰岛素信号的模型。PI3K提高肌醇磷脂PIP3的生成,PTEN(和5-磷酸酶;未描述)拮抗PIP3,决定下游反应的激活,如PKB的激活。PKB激活的另一个下游反应可能是通过块茎蛋白磷酸化使TSC1-2失活,从而导致S6K激活。在我们的模型中,TSC1-2型通过抑制mTOR/S6K到适配器分子IRS-1的负反馈回路,促进胰岛素样生长因子向PI3K的信号传导。TSC1-2的这种负调控可能作用于mTOR效应器(Jaeschke等人,2002年)或直接在mTOR上(Tee等人,2002年). 关于S6K抑制PKB激活的类似负反馈也在果蝇属(Radimerski等人,2002年),尽管dS6K抑制作用的靶点尚不清楚。mTOR/S6K对IRS-1的抑制通过以下两种转录抑制发生IRS-1型基因表达由S6K1和S6K2以及S6K1直接磷酸化靠近PTB结构域的IRS-1蛋白介导。因此,未能激活PI3K可能会限制肿瘤的恶性潜能TSC公司-有缺陷的电池。
材料和方法
抗体
使用的商业抗体如下:兔抗GST、抗p85、抗IRS-1和鼠抗磷酸酪氨酸(克隆4G10)来自Upstate Biotechnology。抗-PKB、IGF-1R、pS6(Ser240/244)、PKB Ser473以及总GSK3α/β和GSK3βSer21/9来自细胞信号。ERK1/2和S6K1的抗体分别来自Santa Cruz生物技术公司和转导实验室。抗InR单抗CT3来自K.Siddle(英国剑桥大学),S6K2抗体来自D.Alessi(英国邓迪大学)。Ser302磷酸化的IRS-2和IRS-1抗体来自M.White(马萨诸塞州波士顿Joslin糖尿病中心)。
细胞培养、生长因子治疗和siRNA转染
饥饿的MEF(Jaeschke等人,2002年)用1μg/ml胰岛素、50 ng/ml IGF-I或20 ng/ml EGF刺激10分钟。将CHO-IR细胞维持在含有10%FCS的Ham’s F12培养基中,并在缺乏血清的培养基中饥饿24小时。为了激活胰岛素受体,然后用1μM胰岛素刺激细胞10分钟。S6K的siRNA(Dharmacon)为:S6K1,5′-GGACATGGCAGGTTT-3′;和S6K2,5′-GAACCAAGAAGTCCAAGAA-3′。
对于IRS-1和IRS-1/IRS-2双转染,使用的序列如前所述(Pirola等人,2003年). 对于IRS-2单次转染,使用以下序列:IRS-2,5′-CAAGCAAGACTACTGAT-3′。
使用LipofectAMINE™2000转染SiRNAs,并在24小时(对于IRS-1和IRS-2)或5天后(S6K1和S6K2)收集细胞。
RNA分析
小鼠基因寡聚物微阵列载玻片(~7.5k个基因/载玻片)来自人类绘图项目(英国剑桥)。使用Atlas™Glass荧光标记试剂盒(CLONTECH Laboratories,Inc.)和Cy3和Cy5活性染料(Amersham Biosciences)制备荧光标记cDNA探针,并按照制造商的说明进行处理。对于Northern印迹,RNA在琼脂糖甲醛凝胶上运行,在Hybond™-N上印迹,并使用标准程序进行杂交和洗涤。使用Omniscript™RT Kit(QIAGEN)合成的cDNA,使用RNeasy™Mini Kit(QIAGEN)从适当处理的MEF中纯化的总RNA,进行两步定量RT-PCR。对于放线菌素D实验,TSC2系统
−/−在不存在或存在20nM雷帕霉素的情况下使细胞饥饿24小时,或在最后10小时内用添加了10μg/ml放线菌素D的雷帕霉素饥饿24小时。使用JOE标记的小鼠β-actin LUX™引物组(Invitrogen)和带有QIAGEN合成的6-FAM标记探针的IRS-1特异性引物对进行定量PCR。使用PCR Master Mix进行探针分析(Eurogentech),使用最终浓度为200 nM的β-actin LUX™引物、最终浓度为300 nM的IRS-1引物和100 nM的探针进行反应。使用序列检测器(ABI Prism™7700;Applied Biosystems)进行三次反应。使用Sequence Detector v1.7软件分析结果。
免疫沉淀
细胞在缓冲液(50 mM Tris-HCl,pH 7.5,120 mM NaCl,1%NP-40,1 mM EDTA,50 mM NaF,40 mMβ-甘油磷酸盐,5 mM Na)中溶解三沃41μg/ml亮氨酸肽、1μg/ml抑肽酶和1 mM苯甲脒)。将300μg蛋白质添加到2μg抗IRS-1抗体中,在4°C下进行免疫沉淀12小时,然后在添加10μl蛋白质g–琼脂糖并洗涤后再进行2小时的旋转。对于λ-磷酸酶实验,用λ-磷酸反应缓冲液(50 mM Tris-HCl,pH 7.5,150 mM NaCl,2 mM MnCl2,0.1 mM EDTA和5 mM DTT),并重悬于15μl含有或不含有400 U纯化的λ-磷酸酶的缓冲液中,反应在30°C下孵育1小时,并定期搅拌。
蛋白质方法
将GST-IRS-1(aa 21–400、108–516、516–895和895–1235)从50 mM Tris-HCl、pH 8.0和10 mM谷胱甘肽中的谷胱甘苷-甘露糖珠中洗脱,与50 mM Tris-HCl,pH 8.5、150 mM NaCl、10%甘油、1 mM PMSF、1 mM M苯甲脒和1 mM DTT进行透析,并进行浓缩。使用固定在蛋白A–Sepharose CL-4B(Amersham Biosciences)上的小鼠EE单克隆抗体,从感染产生病毒的昆虫细胞中纯化重组EE-S6K1和EE-S6K2。在激酶分析缓冲液(50 mM Tris-HCl,pH 7.5,10 mM MgCl)中进行体外激酶分析2,50μM冷ATP,5μCiγ[32P] -标记的ATP),使用1μg GST-IRS-1片段或0.4μl 40S核糖体制剂作为底物(痛风等,1998年). 反应在30°C下持续20分钟。
对于InR-结合分析,在37°C的15μl激酶反应缓冲液中用200μM冷ATP和0.6μg S6K2磷酸化GST-IRS-1 30分钟。蛋白质与谷胱甘肽-海藻糖结合,用激酶缓冲液洗涤两次,用裂解缓冲液A洗涤一次(50 mM Tris-Cl,pH 7.4,150 mM NaCl,50 mM NaF,1 mM苯甲脒,1 mM-EDTA,1%NP-40,40 mMβ-甘油磷酸,5 mM原钒酸钠,2 mM PMSF,1μg/ml亮氨酸肽,1μg/ml抑肽酶和10%甘油)。在缓冲液A中对过度表达IR的CHO细胞进行裂解,并使用0.5 mg蛋白质在4°C下进行1 h的结合分析,然后用A缓冲液进行三次洗涤,添加SDS-PAGE样品缓冲液和SDS-PAGE。使用QuikChange产生GST-IRS-1(aa 108–516)突变体®定点突变试剂盒(Stratagene)。为了对InR下拉进行定量和统计分析,使用Adobe Photoshop扫描了放射自显影照片并确定了条带的像素强度®并针对背景像素强度进行了校正。与GST-IRS-1野生型和GST-IRS1 S302A相关的胰岛素受体在每个对照实验中(即无激酶)被指定为100%的值。经S6K磷酸化后,与GST-IRS-1野生型和GST-IRS1 S302A相关的胰岛素受体在每个实验中相对于100%的对照值进行了标准化。对三个独立实验的值进行了分析,并将平均值绘制在图表上。
细胞趋化性测定
MEF在有或无20 nM雷帕霉素的情况下饥饿24小时,并在胰蛋白酶化前用2μg/ml CellTracker™Green(Molecular Probes,Inc.)进一步标记1小时。在含有0.5%FCS的DME中,将20000个细胞一式两份镀在荧光块Transwell过滤器(Becton Dickinson)上,并放置在含有相同培养基或含有50 ng/ml重组IGF-1或20 ng/ml重构EGF(Sigma-Aldrich)的培养基的微孔中。趋化作用持续6h,然后将微孔固定在PBS/4%PFA中。在配备数码相机(CoolSnap)和暗室图像采集软件(Improvision)的立式显微镜(DM-IRB;Leica)上,使用FITC激发/发射在10×场中显示荧光。对于定量,从每个重复分析中对三个随机区域进行成像,并手动计算穿过滤镜的扩散荧光细胞的数量。细胞数量表示为TSC2系统
+/+在IGF-1存在的情况下,在Microsoft Excel中生成直方图。
细胞存活分析
在没有或存在20 nM雷帕霉素的情况下,将20000个细胞一式两份接种在盖玻片上。36小时后,将盖玻片在PBS中洗涤两次,并在存在或不存在200ng/ml IGF-1的情况下放置在含有无血清DME的孔中8小时。将细胞固定在4%PFA中,透化,并使用商业试剂盒(细胞凋亡检测系统;Promega)进行FITC-TUNEL测定用1μg/ml的Hoechst-bisbenzamide标记30分钟,以标记细胞核。在每次重复分析中,使用Axioplan相机和软件在显微镜(Axiopran 2;Carl Zeiss MicroImaging,Inc.)上用DAPI和FITC激发/发射对两个包含300–600个细胞核的10×场进行成像。在每个字段中,人工计算TUNEL阳性细胞核和每种情况下的细胞核数量,并以百分比和Microsoft Excel中生成的直方图表示。
致谢
我们要感谢Alan Ashworth在微阵列实验方面的帮助,Tony Ford在定量RT-PCR方面的建议,以及Paula Muir在数据分析和DNA测序方面的建议。我们感谢斯图亚特·弗兰克(Stuart Frank)构建GST-IRS-1,莫里斯·怀特(Morris White)构建抗体,德里克·勒罗思(Derek LeRoith)构建表达载体,以及克里斯·马歇尔(Chris Marshall)的讨论、批判性阅读和支持。
L.S.Harrington由结节性硬化协会(英国)、C.P.Downes由医学研究委员会(英国)和信号转导治疗司的项目拨款支持,J.Barnett由生物技术和生物科学研究委员会通过葛兰素史克支持的CASE学生奖学金支持。T.Tolkacheva、S.Wigfield和R.F.Lamb获得了英国癌症研究院的资助,G.M.Findlay获得了癌症研究所的奖学金。我们感谢结节性硬化协会(英国)和LAM基金会(美国)的帮助和支持。
笔记
L.S.Harrington和G.M.Findlay对本文做出了同等贡献。
本文中使用的缩写:IRS,胰岛素受体底物;MEF,小鼠胚胎成纤维细胞;mTOR,雷帕霉素的哺乳动物靶点;磷脂酰肌醇3-OH激酶;PIP3,磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸;磷酸酪氨酸结合结构域PTB;小干扰RNA;结节性硬化综合征。
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